TRƯỜNG ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
VIỆN MÔI TRƯỜNG VÀ TÀI NGUYÊN
TIỂU LUẬN MÔN
QUẢN LÝ BỀN VỮNG CÁC NGUỒN NĂNG LƯỢNG
Đề tài:
GVHD : TS. LÊ CHÍ HIỆP
Thực hiện : HUỲNH TRỌNG HIẾU
Lớp : QLMT.2010
Tp.Hồ Chí Minh, tháng 5 năm 2011
i
DANH MỤC HÌNH
Hình 1.1: Chu trình chuyển hóa sinh khối
Hình 2.1: Sơ đồ mô tả quá trình đốt liên kết
Hình 2.2.: Quá trình khí hóa
Hình 2.3: Sơ đồ mô tả quá trình yếm khí
Hình 2.4: Quá trình thu khí gas tạo điện năng từ các bãi chôn lấp rác thải
ii
MỤC LỤC Trang
LỜI MỞ ĐẦU
Trước tình trạng các nguồn năng lượng hóa thạch ngày càng cạn kiệt và vấn đề ô
nhiễm môi trường phát sinh từ việc sử dụng các nguồn năng lượng hóa thạch con
người bắt đầu chuyển hướng khai thác sang các nguồn năng lượng sạch, có khả năng
tái tạo đảm bảo mục tiêu phát triển bền vững. Các nguồn năng lượng này thường có
nguồn gốc từ thiên nhiên như gió, ánh sáng mặt trời, sinh khối, địa nhiệt, thủy triều
và sóng biển v.v Trong số các nguồn năng lượng tái tạo đang được nghiên cứu và
sử dụng năng lượng sinh khối đã và đang được ưu tiên khai thác nhiều nhất tính đến
thời điểm hiện tại.
Năng lượng sinh khối là nguồn năng lượng cổ xưa nhất đã được con người sử dụng
khi bắt đầu biết nấu chín thức ăn và sưởi ấm. Củi là nguồn năng lượng chính cho tới
đầu thế kỷ 20 khi nhiên liệu hoá thạch thay thế nó.
iv
Các nguồn sinh khối được chuyển thành các dạng năng lượng khác như điện năng,
nhiệt năng, hơi nước và nhiên liệu qua các phương pháp chuyển hóa như đốt trực
tiếp và turbin hơi, phân hủy yếm khí, đốt kết hợp, khí hóa và nhiệt phân.
Sinh khối còn có thể được xem như một dạng tích trữ năng lượng Mặt Trời. Năng
lượng từ Mặt Trời được "giữ" lại bởi cây cối qua quá trình quang hợp trong giai
đoạn phát triển của chúng. Năng lượng sinh khối được xem là tái tạo vì nó được bổ
sung nhanh hơn rất nhiều so với tốc độ bổ sung của năng lượng hóa thạch vốn đòi
hỏi hàng triệu năm. Do đó, việc khai thác than và khí tự nhiên làm tiêu hụt tài
nguyên của Trái Đất trong vòng vài ngàn thế hệ tới. Trong khi đó, sinh khối có thể
dễ dàng được trồng hoặc thu hoạch, sử dụng và thay thế.
Ngoài ra, việc sử dụng sinh khối để tạo năng lượng có tác động tích cực đến môi
trường. Hẳn nhiên việc đốt sinh khối không thể giải quyết ngay vấn đề mất cân bằng
vể tỷ lệ CO
2
hiện nay. Tuy nhiên, vai trò đóng góp của sinh khối trong việc sản xuất
năng lượng vẫn rất đáng kể trong việc bảo vệ cân bằng môi trường, vì nó tạo ra ít
CO
2
hơn năng lượng hóa thạch. Một cách khái quát, CO
2
tạo ra bởi việc đốt sinh
khối sẽ được "cô lập" tạm thời trong cây cối được trồng mới để thay thế nhiên liệu.
Nói một cách khác, đó là một chu kỳ tuần hoàn kín với tác động hết sức nhỏ lên môi
trường.
1.2. Các dạng sinh khối
Sinh khối là các vật chất tái tạo, bao gồm cây cối, chất xơ gỗ, chất thải gia súc, chất
thải nông nghiệp, và thành phần giấy của các chất thải rắn đô thị. Nhìn chung nguồn
gốc sinh khối có thể phân thành hai nhóm chính: nhóm bã thải, phế thải nông nghiệp
và các loại cây trồng năng lượng
Chất thải nông nghiệp là các chất dư thừa sau các vụ thu hoạch. Chúng có thể được
thu gom với các thiết bị thu hoạch thông thường cùng lúc hoặc sau khi gặt hái. Các
chất thải nông nghiệp bao gồm thân và lá bắp, rơm rạ, vỏ trấu Hằng năm, có
khoảng 80 triệu cây bắp được trồng, cho nên vỏ bắp đươc dự đoán sẽ là dạng sinh
khối chính cho các ứng dụng năng lượng sinh học. Ở một số nơi, đặc biệt những
vùng khô, các chất bã cần phải được giữ lại nhằm bổ sung các chất dinh dưỡng cho
đất cho vụ mùa kế tiếp. Tuy nhiên, đất không thể hấp thu hết tất cả các chất dinh
dưỡng từ cặn bã, các chất bã này không được tận dụng tối đa và bị mục rữa làm thất
thoát năng lượng.
Có nhiều thống kê khác nhau về tiềm năng công suất của năng lượng sinh khối dạng
này. Ví dụ như Smil (1999) ước lượng rằng cho đến giữa thập kỷ 90 thế kỷ 20, tổng
lượng bã nông nghiệp là khoảng 3,5-4 tỷ tấn mỗi năm, tương đương với một 65 EJ
năng lượng (1,5 tỷ toe). Hal và cộng sự (1993) tính toán rằng chỉ với lượng thu
hoạch nông nghiệp cơ bản của thế giới (ví dụ như lúa mạch, lúa mì, gạo, bắp, mía
đường ) và tỷ lệ thu hồi là 25% thì năng lượng tạo ra được là 38 EJ và giúp giảm
được 350-460 triệu tấn khí thải CO
2
mỗi năm. Hiện trạng thực tế là một tỷ lệ khá lớn
các bã nông nghiệp này vẫn còn bị bỏ phí hoặc sử dụng không đúng cách, gây các
ảnh hưởng tiêu cực đến môi trường, sinh thái và lương thực. Theo ước tính của
WEC, tổng công suất toàn cầu từ nhiên liệu bã thải nông nghiệp là vào khoảng
4.500 MWt.
Một trong các giải pháp được ứng dụng rộng rãi hiện nay và có tiềm năng đầy hứa
hẹn là tận dụng các bã thải từ công nghiệp mía đường, xử lý gỗ và làm giấy.
Các thống kê cho thấy hơn 300 triệu tấn bã mía và củ cải đường được thải ra mỗi
năm, tập trung hầu hết ở các nhà máy đường. Các số liệu của FAO cho thấy khoảng
1.248 tấn mía được thu hoạch vào năm 1997, trong đó là 25% bã mía ép (312 triệu
tấn). Năng lượng của 1 tấn bã mía ép (độ ẩm 50%) là 2,85 GJ/tấn. Đó là chưa kể các
phần thừa (phần ngọn và lá) và phần thải trong quá trình thu hoạch mía. Các phần
này lại chiếm một tiềm năng năng lượng cao hơn cả (55%), thế nhưng hiện nay phần
các dạng năng lượng sinh học khác có hiệu suất cao hơn
Các tác động về môi trường và sức khỏe từ việc khai thác phân thải có phần tiêu cực
hơn các dạng nhiên liệu sinh học khác.
f) Các loại bã thải khác
- Chất thải củi gỗ đô thị
Chất thải củi gỗ là nguồn chất thải lớn nhất ở các công trường. Chất thải củi gỗ đô
thị bao gồm các thân cây, phần thừa cây đã qua cắt tỉa. Những vật liệu này có thể
được thu gom dễ dàng sau các dự án công trường và cắt tỉa cây, sau đó có thể được
chuyển thành phân trộn hay được dùng để cung cấp nhiên liệu cho các nhà máy
năng lượng sinh học.
vii
- Chất thải rắn đô thị
Chất thải ở các trung tâm thương mại, cơ quan, trường hoc, nhà dân có một hàm
lượng nhất định của các vật chất hữu cơ có xuất xứ từ cây, là một nguồn năng lượng
tái tạo không nhỏ. Giấy thải, bìa cứng, các tông, chất thải gỗ là những ví dụ của
nguồn sinh khối trong chất thải đô thị.
1.2.2. Cây trồng năng lượng
Các giống cây năng lượng là các giống cây, cây cỏ được xử lý bằng công nghệ sinh
học để trở thành các giống cây tăng trưởng nhanh, được thu hoạch cho mục đích sản
xuất năng lượng. Các giống cây này có thể được trồng, thu hoạch và thay thế nhanh
chóng.
Cây trồng năng lượng có thể được sản xuất bằng 2 cách:
Các giống cây năng lượng chuyên biệt trồng ở những vùng đất dành đặc biệt
cho mục đích này
Trồng xen kẽ và các cây trồng bình thường khác.
Cả 2 phương pháp này đều đòi hỏi có sự quản lý tốt và phải được chứng minh là
đem lại lợi ích rõ ràng cho người nông dân về mặt hiệu quả sử dụng đất.
a) Các giống cây cỏ (thảo mộc) năng lượng
Đây là các giống cây lâu năm được thu hoạch hằng năm sau 2-3 năm gieo trồng để
đạt tới hiệu suất tối đa. Các giống cây này bao gồm các loại cỏ như cỏ mềm xuất xứ
lượng
ix
Chương 2: CÔNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG SINH KHỐI
Hiện nay, sinh khối được sử dụng vào ba vấn đề chính: sản xuất nhiệt, sản xuất
nhiên liệu sinh hoc, sản xuất điện năng.
2.1. Sản xuất nhiệt truyền thống
Quá trình khai thác sinh khối để tạo nhiệt có một lịch sử rất lâu dài, và vẫn tiếp tục
đóng một vai trò quan trọng trong xã hội loài người trong thời kỳ hiện đại. Nhiệt
lượng từ việc đốt sinh khối được sử dụng để đốt sửa ấm, để nấu chín thức ăn, để đun
nước tạo hơi Thành phần năng lượng trong sinh khối khô dao động tự 7.000
Btu/lb (rơm) cho đến 8.500 Btu/lb (gỗ). Xin đưa ra đây một ví dụ so sánh: để nấu
một bữa ăn thì cần khoảng 10.000 Btu, trong khi đó một gallon xăng thì tương
đương 124.884 Btu.
2.2. Sản xuất nhiên liệu sinh học
2.2.1. Định nghĩa và phân loại nhiên liệu sinh học
Nhiên liệu sinh học (biofuel) là loại nhiên liệu có nguồn gốc từ sinh khối. Sinh khối
được sử dụng để sản xuất nhiên liệu sinh học có thể là từ các sinh vật sống hoặc sản
phẩm phụ từ quá trình chuyển hóa của chúng (ví dụ như phân gia súc). Chúng thuộc
loại năng lượng tái tạo (hoàn nguyên) hoàn toàn khác với các loại năng lượng khác
như hóa thạch, hạt nhân.
Nhiên liệu sinh học có đặc điểm là khi bị đốt cháy sẽ giải phóng ra năng lượng hóa
học tiềm ẩn trong nó. Nghiên cứu tìm ra các phương pháp hiệu quả hơn để biến đổi
các vật liệu nguồn gốc sinh học thành điện năng thông qua pin nhiên liệu đang là
lĩnh vực hết sức khả quan hiện nay.
Theo bảng phân loại của Wikipedia, nhiên liệu sinh học được chia thành ba loại:
- Dạng rắn (sinh khối rắn dễ cháy): củi, gỗ và than bùn.
- Dạng lỏng : Các chế phẩm dạng lỏng nhận được trong quá trình chế biến vật liệu
nguồn gốc sinh học như:
+ Bioalcohol - các loại rượu nguồn gốc sinh học, ví dụ: bioethanol từ đường mía,
ngô đang được sử dụng làm nhiên liệu hoặc phụ gia pha xăng tại Braxin, Mỹ và một
bã mía, thân ngô, mùn cưa, gỗ vụn…), chăn nuôi (phân súc vật, bùn cống rãnh…) và
sinh hoạt (dầu, mỡ thải) ưu điểm nổi bật là sử dụng nguồn sinh khối không ảnh
hưởng gì đến lương thực, thực phẩm nuôi sống con người và gia súc đảm bảo an
ninh lương thực toàn cầu, đồng thời còn góp phần giảm thiểu ô nhiễm.
- Nhiên liệu sinh học thế hệ thứ ba từ tảo (nước ngọt và nước biển), cây jatropha
curcas (cây cộc rào hay cây dầu mè), cỏ swichgrass, cây halophyte, có ưu điểm vượt
trội là dựa vào nguồn sinh khối phong phú của các loại cây không thuộc cây lương
thực, có thể sinh trưởng hoang dại ở cả những nơi đất cằn cỗi với hàm lượng dầu
cao. Hiện nay nghiên cứu đang được tiến hành bởi tảo nuôi (nuôi trồng tảo) để sản
xuất nhiên liệu khác nhau để thu hoạch để làm cho dầu thực vật, dầu diesel sinh học,
ethanol sinh học, biomethanol, biobutanol và nhiên liệu sinh học khác và có vẻ như
nếu phương pháp này là bền vững hơn so với nhiên liệu sinh học khác có sẵn sau đó
sử dụng tảo để sản xuất diesel sinh học sẽ là phương pháp khả thi duy nhất để thay
thế các nhu cầu xăng dầu sử dụng cho ô tô ngày hôm nay. Đi vào xem xét tính bền
vững và nhiên liệu sinh học từ tảo yếu tố kinh tế, văn hóa dường như là nhiên liệu
triển vọng nhất cho tương lai. Tuy nhiên còn nhiều vấn đề khoa học và công nghệ
liên quan đến canh tác, khai thác, chế biến các tài nguyên sinh khối này cần phải giải
quyết trước khi nhiên liệu sinh học thế hệ ba xuất hiện trên thị trường.
2.2.3. Các phương pháp sản xuất nhiên liệu sinh học
2.2.3.1. Ethanol (cồn, rượu etylic)
xi
Ethanol là rượu no, đơn chức, chứa 2 nguyên tử các bon, có công thức C
2
H
5
OH, có
thể sản xuất theo phương pháp hóa học từ nguyên liệu etan hoặc etylen. Trên thực tế
ethanol thường được sản xuất bằng con đường sinh học. Khi đó sản phẩm ethanol
được gọi là cồn sinh học hay bioethanol. Bioethanol (sau đây gọi tắt là ethanol) đã
được sử dụng rộng rãi làm nhiên liệu cho ngành giao thông và có thể thay thế hoàn
hơn nên phải phân hủy chúng thành đường đơn nhờ quá trình thủy phân.
Hạt được xay, nghiền ướt thành dạng bột nhão. Trong quá trình này đã có một lượng
đường được giải phóng. Nhưng để chuyển hóa tối đa lượng tinh bột thành đường,
tạo điều kiện lên men rượu, bột nhão được nấu và cho thủy phân bằng enzym (ví dụ
amylaza). Trong trường hợp thủy phân bằng axit thì cần rót axit loãng vào khối bột
xii
nhão trước khi đem nấu. Quá trình lên men được xúc tiến mạnh khi có mặt một số
chủng men rượu. Để thuận lợi cho quá trình lên men, pH của dịch thủy phân cần
điều chỉnh ở mức 4,8 - 5,0. Ethanol sinh ra trong quá trình lên men sẽ hòa tan trong
nước. Quá trình lên men rượu này sinh ra CO
2
. Nhờ hàng loạt bước chưng cất và
tinh cất để loại nước, nồng độ ethanol sẽ được tăng cao tối đa (có thể đạt mức cồn
tuyệt đối - ethanol khan).
Quá trình chuyển hóa sinh khối là hỗn hợp xenlulo thành ethanol chỉ khác với quá
trình lên men tinh bột ở chỗ xử lý nguyên liệu thành đường đơn sẵn sàng cho quá
trình lên men. Thủy phân hỗn hợp xenlulo khó hơn thủy phân tinh bột vì hỗn hợp
xenlulo là tập hợp các phân tử đường liên kết với nhau thành mạch dài (polyme
cacbonhyđrat) gồm khoảng 40 - 60% xenlulo và 20 - 40% hemixenlulo, có cấu trúc
tinh thể, bền. Hemixenlulo chứa hỗn hợp các polyme có nguồn gốc từ xylo, mano,
galaeto hoặc arabino kém bền hơn xenlulo. Nói chung hỗn hợp xenlulo khó hòa tan
trong nước. Phức polyme thơm có trong gỗ là lignin (10 - 25%) không thể lên men
vì khó phân hủy sinh học, nhưng có thể tận dụng vào việc khác.
Quá trình xử lý nguyên liệu thành đường tự do sẵn sàng lên men phải trải qua hai
bước: bước một thủy phân bằng axit loãng nồng độ 0,5% để phá vỡ liên kết hyđro
giữa các mạch xenlulo và phá vỡ cấu trúc tinh thể của chúng thực hiện ở nhiệt độ
200
o
C. Kết quả thủy phân bước một sẽ chuyển hóa hemixenlulo thành đường C
5
xiii
lít ethanol còn 0,17 euro. Vì nhiệt lượng của ethanol thấp hơn so với xăng nên thực
tế chi phí sử dụng ethanol sẽ cao hơn xăng với thể tích tương đương.
2.2.3.2. Methanol (rượu metylic, cồn gỗ, cacbinon)
Cũng như ethanol, methanol được sử dụng làm nhiên liệu cho xe ô tô từ lâu, đặc biệt
là ở Mỹ. Methanol có thể sản xuất từ khí tổng hợp - sản phẩm khí hóa sinh khối và
các nguồn khác đồng thời cũng có thể đi từ khí tự nhiên. Methanol được sản xuất từ
nguồn nguyên liệu đi từ sinh vật đang được khuyến cáo phát triển sử dụng làm
nguyên liệu tái tạo thay thế nhiên liệu dầu mỏ.
a)Nguyên liệu sinh khối
Methanol có thể được sản xuất từ sinh khối, thường là củi gỗ. Để sản xuất 1 tấn
methanol cần gần 2 tấn gỗ khô, có nghĩa năng suất sẽ là 550 lít methanol/tấn gỗ.
Năng suất methanol từ nguyên liệu thân thảo khô (cỏ khô) còn thấp hơn, đạt khoảng
450 l/tấn.
b)Công nghệ chuyển hóa sản xuất methanol
Methanol thu được thông qua quá trình chuyển hóa khí tổng hợp. Để thu được khí
tổng hợp từ nguyên liệu sinh khối, người ta tiến hành khí hóa sinh khối dưới điều
kiện áp suất và nhiệt độ cao. Khí tổng hợp sau khi khử bỏ tạp chất sẽ được đưa vào
lò phản ứng có xúc tác để tạo thành methanol. Công nghệ trước đây sử dụng xúc tác
kẽm cromat trong điều kiện áp suất cao (300 - 1000 atm) và nhiệt độ cao (khoảng
400
o
C), thực hiện trong pha khí.
Công nghệ hiện nay chủ yếu tiến hành trong pha lỏng với xúc tác hợp lý hơn ở nhiệt
độ và áp suất thấp hơn nhưng cho hiệu quả cao hơn. Công nghệ chuyển hóa
methanol hiện nay cho phép đạt được hiệu suất tới 95%.
c)Tính kinh tế
Hiện tại, chi phí đầu tư ngắn hạn cho một cơ sở sản xuất methanol từ sinh khối, công
suất 400 MW nhiệt, vào khoảng 700 euro/ kW nhiệt. Đầu tư lâu dài vào cơ sở lớn
hơn chi phí giảm 25 - 30%. Hiệu suất ngắn hạn có thể đạt 50 - 55%. Đối với cơ sở
với động cơ bình thường (độ nhớt cao, không ổn định về nhiệt, có chứa nước và chỉ
số xetan thấp). Người ta đã khắc phục các nhược điểm trên của dầu thực vật bằng
phương pháp este hóa nó để biến các phân tử cấu trúc mạch nhánh của dầu
(triglyxerit) thành phân tử cấu trúc mạch thẳng nhỏ hơn (metyleste), phù hợp với
thành phần diezel dầu mỏ. Metyleste của dầu thực vật chính là biodiezel.
Phần lớn các metyleste được sản xuất thông qua quá trình este hóa dầu thực vật với
xúc tác và methanol. Triglixerit dầu thực vật sẽ tác dụng với methanol với sự có mặt
của xúc tác. Quá trình este hóa xảy ra ở nhiệt độ từ 50 - 66
o
C, áp suất 1,4 bar, trong
hệ thống lò kín.
Bước đầu tiên trong quá trình sản xuất biodiezel là trộn methanol với chất xúc tác -
thường là NaOH (hoặc KOH) để tạo ra natri (hoặc kali) metoxit. Lượng methanol
cần dư để đảm bảo chuyển hóa hoàn toàn triglyxerit dầu thực vật thành este, bởi vì
các phản ứng đầu tiên xảy ra với axit béo tự do trong dầu sẽ xà phòng hóa. Hỗn hợp
xúc tác/ methanol được rót vào bình phản ứng kín để tránh bay hơi methanol. Sau đó
dầu thực vật được bổ sung. Khuấy đều hỗn hợp, để yên từ 1 - 8 giờ. Nồng độ của
axit béo tự do và nước phải được xử lý hợp lý, bởi vì nếu nồng độ này quá cao sẽ
gây khó khăn trong quá trình xà phòng hóa và khó tách glyxerin phụ phẩm.
Sau khi dầu thực vật được este hóa, hỗn hợp được trung hòa bằng axit. Methanol
được thu hồi và tái sử dụng.Trong hỗn hợp còn lại hai sản phẩm chính là biodiezel
và glixerin, nên hình thành hai lớp trong bình phản ứng. Glyxerin nặng hơn ở bên
dưới được tách khỏi bình cùng với xà phòng và sẽ được trung hòa. Muối kali thu
được từ quá trình trung hòa này có thể thu hồi để làm phân bón. Glyxerin tinh khiết
xv
còn lại có thể sử dụng làm nguyên liệu cho công nghiệp mỹ phẩm hoặc dược phẩm.
Sau khi tách glyxerin, dung dịch màu vàng hổ phách là metyleste. Metyleste được
rửa bằng nước để khử tạp chất còn lại. Độ tinh khiết của metyleste thu được đạt
khoảng 98%. Có thể thu được metyleste tinh khiết hơn nữa nếu xử lý bằng phương
pháp chưng cất. Biodiezel có thể bảo quản lâu dài hơn dầu thực vật và có thể sử
2
(>30%) còn lại là các chất khác như hơi nước N
2
,
O
2
, H
2
S, CO … được thuỷ phân trong môi trường yếm khí, xúc tác nhờ nhiệt độ từ
20-40ºC, nhiệt trị thấp của CH
4
là 37,71.103 KJ/m
3
, do đó có thể sử dụng biogas làm
nhiên liệu cho động cơ đốt trong. Để sử dụng biogas làm nhiên liệu thì phải xử lý
biogas trước khi sử dụng tạo nên hỗn hợp nổ với không khí. Khí H
2
S có thể ăn mòn
các chi tiết trong động cơ, sản phẩm của nó là SO
x
cũng là một khí rất độc. Hơi nước
có hàm lượng nhỏ nhưng ảnh hưởng đáng kể đến nhiệt độ ngọn lửa, giới hạn cháy,
nhiệt trị thấp và tỷ lệ không khí/nhiên liệu của Biogas
xvi
Việc sản xuất khí biogas có thể tự đáp ứng đủ nhu cầu chất đốt, kể cả điện khí hóa ở
các vùng nông thôn. Biogas cũng góp phần làm giảm nạn phá rừng ở các nước đang
phát triển, giảm sự phụ thuộc vào nhiên liệu hóa thạch.
Người ta sử dụng năng lượng Biogas để đun nấu, thắp sáng, chạy máy Biogas thực
sự đem lại cuộc sống văn minh, tiện nghi hơn cho nông thôn.
b)Công nghệ sản xuất biogas
xe chạy hydro thường có công suất yếu hơn động cơ chạy xăng cùng dung tích.
Tuy có một số nhược điểm nhưng hydro có thể trở thành nguồn nhiên liệu hấp dẫn
thay thế xăng, vì chúng có thể được sản xuất từ nhiều nguồn nguyên liệu khác nhau
và khi cháy chất thải duy nhất của nó là nước. Xe chạy bằng khí hydro không thải ra
các chất gây ô nhiễm như xăng.
xvii
Một trở ngại đối với việc phân phối hydro là phải lập ra mạng lưới cung ứng hoàn
toàn mới. Nhiên liệu hydro không cần phải sản xuất tập trung như xăng (dầu), rồi
vận chuyển đi khắp nơi, mà có thể sản xuất tại chỗ cần sử dụng khí này.
b) Công nghệ sản xuất và khả năng phát triển
Phương pháp sản xuất hydro đơn giản nhất hiện nay là điện phân nước (H
2
O). Hydro
có thể sản xuất với khối lượng nhỏ ở bất cứ đâu, thậm chí ngay trong gara ô tô.
Tuy nhiên, hiện nay người ta đang còn băn khoăn về giá hydro cũng như giá ô tô
chạy bằng nhiên liệu này (hàng tỷ USD đang được các công ty sản xuất ô tô và công
ty năng lượng các nước trên thế giới đầu tư để nghiên cứu chế tạo các kiểu xe chạy
bằng hydro). Giá hydro hiện nay là 2 USD/kg, 1kg hydro cho lượng năng lượng
tương đương năng lượng của 1 galon (3,8 lít) xăng thông thường; còn xe ô tô chạy
hydro (như chiếc Opel Zafira) hiện có giá rất cao, đến 1 triệu USD (tất nhiên trong
tương lai xe sản xuất nhiều thì giá thành của xe sẽ giảm).
Ba lý do khiến người ta chuyển sang sử dụng hydro làm nhiên liệu là: nguồn năng
lượng nguồn gốc hóa thạch đang giảm nhanh và nếu tự túc được nhiên liệu sẽ giúp
giảm nhẹ sự lệ thuộc vào nguồn nhập khẩu. Ngoài ra, sử dụng hydro làm nhiên liệu
góp phần bảo vệ được sự bền vững môi trường. Vì vậy, mặc dù còn nhiều trở ngại
trên con đường tiến tới nền kinh tế hydro, người ta vẫn tin rằng đó là xu thế tất yếu
của tương lai và không thấy lý do nào có thể cản trở sự thành công của nhiên liệu
hydro.
Có thể trong nhiều năm nữa, xe ô tô chạy bằng hydro sẽ được sản xuất hàng loạt,
thay thế các xe sử dụng xăng và diezel hiện thời. Tuy nhiên, các chuyên gia dự đoán
dụng tích hợp tốt nhất sinh khối vào hệ thống năng lượng dựa trên nhiên liệu hóa
thạch.
xix
(Nguồn: http://sites.google.com/site/vnggenergy/sinhkhoi)
Hình 2.1: Sơ đồ mô tả quá trình đốt liên kết
Trong quá trình đốt liên kết, sinh khối bắt nguồn từ gỗ và cây cỏ (thảo mộc) như gỗ
dương, liễu, cỏ mềm, có thể được trộn một phần vào nguyên liệu cho nhà máy than
thông thường. Trong quá trình này, sinh khối có thể chiếm tỷ lệ 1%-15% tổng năng
lượng của nhà máy than. Sinh khối có thể được trộn vào ở nhiều tỷ lệ khác nhau, từ
2% cho đến 25%. Một số thử nghiệm tại Hoa Kỳ cho thấy năng lượng sinh khối có
thể đóng góp đến 15% tổng năng lượng đầu vào của một nhà máy than, trong khi
việc này chỉ đòi hỏi một vài cải tiến kỹ thuật trong hệ thống feed intake và buồng
xx
đốt. Trong các nhà máy dạng này, sinh khối cũng được đốt trực tiếp trong lò nung,
tương tự như than. Phương pháp đốt liên kết có một lợi thế kinh tế tương đối rõ
ràng, do kinh phí đầu tư chủ yếu chỉ là để trang bị một lò đốt liên kết mới hoặc nâng
cấp lò đốt hiện tại trong nhà máy nhiệt điện chạy bằng than, tức là có chi phí thấp
hơn nhiều so với xây dựng một nhà máy điện sinh khối.
Công nghệ đốt liên kết đem lại nhiều tác động tích cực đến môi trường, bao gồm
việc giảm tỷ lệ khí NO
x
và SO
x
, khói công nghiệp, mưa axít, và ô nhiễm tầng ozone.
Ngoài ra, việc đốt liên kết sinh khối-than cũng giúp giảm đáng kể lượng khí thải
CO
2
. Tuy rằng pp đốt liên kết không có lợi thế gì hơn về mặt môi trường so với các
phương pháp "thuần túy sinh học" khác (vốn giảm tỷ lệ khí thải độc hại xuống đến
nhiệt phân có dạng lỏng, màu nâu, và được sử dụng như nhiên liệu đốt gasifier.
xxi
d) Khí hóa sinh khối
Sinh khối dạng rắn có thể được chuyển thành dạng khí, được gọi là khí tổng hợp
(syngas).
(Nguồn: http://sites.google.com/site/vnggenergy/sinhkhoi)
Hình 2.2.: Quá trình khí hóa
Công nghệ khí hóa là quá trình oxy hóa từng phần sinh khối nhờ cách thức bổ sung
dần oxy từ không khí theo từng lượng vừa đủ.
Oxy sẽ tác dụng với sinh khối ở nhiệt độ cao, khoảng 900
o
C. Trong trường hợp khí
hóa trực tiếp, nhiệt cần thiết cho quá trình được tạo ra nhờ đốt một phần sinh khối
được nạp vào lò khí hóa. Cả không khí (có thể lẫn oxy) được thổi vào lò khí hóa trực
tiếp khi đó người ta đã dùng chính năng lượng nhiệt của một phần vật liệu khí hóa
xxii
cho quá trình khí hóa. Nếu chỉ sử dụng oxy thì syngas sinh ra sẽ không chứa nitơ.
Tuy nhiên, việc tạo ra oxy cho quá trình này làm tăng năng lượng cần sử dụng, do
đó tăng chi phí đầu tư. Quá trình khí hóa gián tiếp sử dụng một phần nhiệt từ sinh
khối cháy hoặc nhiệt do từ bên ngoài lò cung cấp. Một ưu điểm của quá trình khí
hóa gián tiếp này là nó cũng sinh ra syngas không chứa nitơ mà không cần sử dụng
oxy như quá trình khí hóa trực tiếp. Tuy nhiên, quá trình khí hóa gián tiếp phải trải
qua nhiều bước và phức tạp hơn. Ngoài ra, nó tạo ra hai dòng khí cần phải khử, làm
sạch.
Các kiểu lò thích hợp với quá trình khí hóa sinh khối hiện nay gồm có: lò khí hóa cố
định; lò khí hóa tầng sôi và lò khí hóa dòng cuốn. Lò khí hóa cố định hoạt động ở
nhiệt độ giữa 700 và 1200
o
C. Chúng được phân loại dựa theo hướng đi của luồng
khí qua lò (ví dụ từ dưới lên, trên xuống, hoặc ngang qua) hoặc theo hướng dòng
và reforming. Tùy theo
mục đích sử dụng mà khí tổng hợp được điều chỉnh cho phù hợp.
Nhiều chuyên gia hy vọng rằng khí hóa sinh khối sẽ có hiệu suất cao hơn nhà máy
điện sinh khối thông thường. Tuy nhiên, cho đến nay, quá trình khí hóa vẫn chưa
được ứng dụng rộng trong thực tế mà chỉ vẫn đang ở giai đoạn thử nghiệm kỹ thuật.
Các lò chuyển đổi sinh khối rắn thành khí đốt nóng sinh khối ở một môi trường mà
tại đó sinh khối rắn phân hủy chuyển thành khí dễ cháy. Quá trình này có thuận lợi
xxiii
hơn so với việc đốt trực tiếp. Khí sinh học có thể được làm sạch và lọc để phân loại
và tách các hợp chất hóa học có thể có hại. Sản phẩm khí có thể được dùng ở các
máy phát điện hiệu suất cao như liên hợp turbine khí và hơi – để sản xuất điện năng.
Hiệu suất của những hệ thống dạng này có thể lên đến 60%.
e) Tiêu hóa yếm khí
Đây là quá trình sinh học trong đó khí methane được thải ra từ sự phân hủy các vật
chất hữu cơ của các vi sinh vật trong môi trường không có oxy. Khí methane này có
thể được thu hồi và sử dụng để tạo ra năng lượng. Quá trình tiêu hóa yếm khí sử
dụng các chất thải sinh học như phân hữu cơ và các chất thải rắn đô thị. Phân hoặc
chất thải được đóng gói và phân hủy bởi vi sinh vật và nước. Quá trình này thải ra
khí mê tan trong gói, và khí này được dẫn vào một gói chứa khí khác. Từ đó, khí
methane đươc dùng để cung cấp năng lượng cho turbine và tạo ra điện.
xxiv
(Nguồn: http://sites.google.com/site/vnggenergy/sinhkhoi)
Hình 2.3: Sơ đồ mô tả quá trình yếm khí
xxv
Copyright: Tài liệu đại học ©